접노출가열(DEH) 기술을 활용한 폐배터리 소재 합성.(사진=국립부경대 제공)

국립부경대학교 석사과정생이 이차전지 분야의 난제로 불리는 폐배터리 재활용을 위한 새로운 기술을 개발해 주목받고 있다.

국립부경대는 오필건 교수 연구팀 소속인 황민기 학생이 기존 이차입자형 저니켈폐소재를 8마이크론 이상의 대입경 단입자 고니켈 소재로 업사이클 하는 합성 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

폐배터리 재활용 연구는 최근 이차전지 분야에서 가장 관심 있는 주제다. 리튬이온 배터리와 같은 이차전지가 전기차, 드론, 로봇 등 전 산업으로 급속히 확산하면서, 비용을 줄이고 환경오염 문제를 해결하기 위해 수명을 다한 폐배터리를 재사용할 수 있는 기술이 요구되고 있기 때문이다.

하지만 폐배터리 소재를 고열이나 강산으로 녹여서 재활용하는 기존 방법(Downcycling)은 높은 비용과 환경문제로 상업화에 한계가 있었다. 이를 개선하기 위해 다이렉트 리사이클링 방법에 대한 연구가 최근 진행되고 있는데, 지금까지는 2~4마이크론 크기의 소재만 합성이 가능한 것으로 보고됐다.

폐배터리 소재의 상업화를 위해서는 대입경 소재로 재활용할 수 있어야 하는데, 황민기 씨 연구팀은 직접노출가열 기술을 적용한 전용 장비를 설계, 제작해 이를 달성하는 데 성공했다. 연구팀은 비평형 가열램프 단계를 제거해 비가역적인 상전이를 최소화하고, 5MPa 이하의 약한 압력에서 리튬이온 배터리 소재를 구조적으로 안정된 대입경 단결정 입자로 변환시킬 수 있었다.

이 연구 성과를 담은 논문은 오필건 교수 연구팀의 단독교신 연구로, 에너지 분야 최상위 국제저널 'Joule'(IF 35.4 / JCR 1.5%)에 게재됐다. 연구팀의 황민기 학생이 석사 학위과정 중에 연구를 기획하고 실험과 논문 작성을 주도한 데 이어, 세계적 학술지까지 실리는 이례적인 성과를 거뒀다. 그는 이 논문을 포함, 석사과정에서만 6편의 논문을 국내외 학술지에 발표하는 등 우수한 연구 성과를 인정받고 있다.

황민기 석사과정생은 “여러 번의 실패에도 포기하지 않고 연구를 이어가 좋은 성과로 이어질 수 있었던 것 같다. 앞으로도 꾸준히 연구 역량을 쌓아 박사과정에서는 배터리 분야의 난제들을 해결하고 싶다”고 밝혔다. 이어 “장기적으로는 교수가 돼 연구와 함께 후학을 양성하는 것이 목표”라고 포부를 밝혔다.

오필건 지도교수(나노융합공학전공)는 “현재의 양극재 재활용 기술은 소입경 소재만 생산할 수 있어, 대입경과 소입경 소재로 전극을 구성하는 현재의 전극설계 시스템에서는 극히 제한된 재활용 소재 채용만 가능했다. 이번 연구는 리튬이온 배터리 재활용 기술의 상업화를 앞당길 뿐만 아니라, 폐배터리 소재는 물론 단입자 소재를 대입경화하는 새로운 열역학적 합성 관점을 제시해 더욱 광범위한 고급 물질을 합성하는 방안을 제시하는 성과”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 환경부의 특성화 대학원 사업인 폐배터리특성화대학원 사업과 지역혁신 메가프로젝트 사업의 지원을 받아 진행됐다.